автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Анализ проблем композиции оптических систем световых микроскопов

Введение.

Глава 1. Общие положения.

1.1 Микроскопические объекты.

1.2 Методы исследования объектов в микроскопии.

1.3 Регистрация изображения.

1.4 История развития микрообъективов.

Оптические конструкции.

1.5 Классификация линзовых микрообъективов.

1.6 Базовые компоненты микрообъективов.

1.7 Методы расчета объективов микроскопов.

1.8 Тенденции развития микрообъективов.

1.9 Выводы.

Глава 2. Элементная база и принципы композиции оптических систем микроскопа.

2.1 Аберрационные свойства сферической поверхности.

2.2 Апланатические поверхности как частный случай декартовых поверхностей. Их аберрационные свойства.

2.3 Общие соотношения в оптической схеме микроскопа.

Глава 3. Взаимосвязь разрешающей способности изображения, образованного оптической системой микроскопа, с её параметрами.49 3.1 Разрешающая способность оптической системы микроскопа и полезное увеличение образованного ею изображения.

3.2 Полезное увеличение микрообъектива.

3.3 Исходные требования к осветительному устройству.

3.4 Требования к осветителю микроскопа.

Глава 4. Синтез оптических схем микрообъективов.

4.1 Объективы с ахроматической коррекцией.

4.2 Исследование хроматических аберраций элементов объективов.

4.3 Исследование свойств элементов планара.

4.4 Синтез ахроматических микрообъективов.

4.5 Синтез высокоапертурных микрообъективов больших увеличений.

4.6 Выводы.

В современной оптической науке особое место отводится созданию приборов, служащих для изучения особо мелких объектов и структур. Люди знают гораздо больше об окружающем нас макромире, чем о строении клетки. Ещё вчера горячо обсуждался успех создания самого большого в мире телескопа. Сегодня сформулирована другая задача, с технической точки зрения не менее сложная- создание высокоразрешающего и высокоточного прибора - микроскопа, который должен дать возможность также уверенно проникнуть в микромир. А это- биология, медицина и наука о строении вещества. Это все живое и неживое на земле. Поле деятельности ученых — исследователей безгранично. Сфера научно-технических изысканий -уникальна. Ни в одной области оптической науки не приходится сталкиваться с таким обилием особых физических явлений, как в микроскопии. Сложность конструкций оптических систем для микроскопии - особая.

Следует ожидать в ближайшее время начала эры микроскопии, ее бурного развития- совершенствования старых, испытанных форм. Очевидно появление целой гаммы различных приборов микроскопического анализа, начиная с простейших, предназначенных для использования буквально в каждом доме, и кончая сложнейшими комплексами оборудованными, например, лазерами и сложной вычислительной техникой. Люди сегодня осознали психологически, а техника достигла такого уровня, что настало время непосредственного создания такого сверхсложного в технологическом исполнении оборудования, о котором раньше упоминалось только в теоретических изысканиях.

Глава 1. Общие положения. все те особенности картины, наблюдаемой в микроскопе, которые обусловлены не простым поглощением света в объекте, а взаимодействием дифракционных пучков, т.е. все детали структуры, в общем не воспроизводят истинного состояния объекта — не образуют изображения, геометрически подобного объекту.» (Аббе).

4.6 Выводы

I. Выполнен анализ конструкций объективов микроскопов с ахроматическим типом коррекции аберраций с момента их появления как класса оптических систем.

2. Показано, что за достаточно долгий срок своего существования, конструкции ахроматов не претерпели существенных изменений, несмотря на совершенствование электронно-вычислительной техники.

3. Исследованы свойства оптических элементов с целью отыскания базовых для новых конструкций микрообъективов.

4. Опробована методика проектирования микрообъективов из тонких элементов.

5. Предложены принципиально новые конструкции объективов с типами аберрационной коррекции - ахромат и микрофлюар, технологичные для серийного производства.

6. Выполнен расчет комплектов новых ахроматов и микрофлюаров с линейным полем в пространстве изображений 2у'=20 мм

Заключение.

Противоречивые требования, предъявляемые потребителями микроскопов к величине наблюдаемого поля и к разрешающей способности предъявляемого инструмента определили потребность в создании комплектов микрообъективов.

Появление новых областей применения микроскопов привело к созданию, наряду с биологическими- поляризационных, люминесцентных, металлографических и других микроскопов, оснащённых соответствующими комплектами микрообъективов, удовлетворяющих специфическим требованиям применения. Расширение областей применения микроскопов и рост требований к качеству образованного ими изображения определили необходимость создания микрообъективов не только с ахроматической, но и апохроматической и планапохроматической коррекцией аберраций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Исследованы аберрационные свойства базовых элементов, образующих оптические системы базовых компонентов микроскопа. Получены соотношения, определяющие внеосевые аберрации апланатических поверхностей, образующих изображение плоского предмета. В области аберраций третьего порядка исследованы аберрационные свойства принципиальных схем микрообъективов, представленных тонкими компонентами. В результате выполненных исследований разработана методика композиции и параметрического синтеза оптических систем микрообъективов.

2. Получено эмпирическое соотношение, определяющее взаимосвязь разрешающей способности глаза, диаметров световых пучков лучей, образующих изображение на сетчатке глаза и контраста наблюдаемого предмета. Показана зависимость диапазона значений полезного увеличения изображения, образованного оптической системой микроскопа, от этих параметров.

3. Используя соотношение, определяющее взаимосвязь степени когерентности световых пучков лучей и предельного разрешения образованного ими изображения, установлена взаимосвязь параметров осветительной оптической системы с параметрами наблюдательной оптической системы микроскопа.

4. Введено понятие полезного поперечного увеличения изображения, образованного микрообъективом, и установлена взаимосвязь значений полезного увеличения от входной числовой апертуры микрообъектива.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Развитые в работе основы композиции оптических систем базовых оптических компонентов определяют прикладную базу проектирования оптических систем микрообъективов, окуляров, осветительных систем и различных устройств оптического сопряжения в световых микроскопах.

2. Эмпирическое соотношение, определяющее разрешающую способность системы глаз плюс микроскоп, определяет возможность обоснованного выбора диапазона значений полезного увеличения изображения, образованного оптической системой микроскопа.

3. Установленная взаимосвязь параметров осветительной оптической системы с параметрами наблюдательной позволяет определить оптимальный набор оптических систем осветительного устройства и требуемые параметры каждой из них, соответствующий требуемому комплекту объективов с обоснованно выбранными параметрами.

4. Результаты исследований, полученные в работе, могут быть использованы в соответствующих учебных курсах.

1. Андреев Л.Н. Автореферат диссертации на соискание ученой степени докт. техн. наук. ЛИТМО, 1978.2. Андреев Л.Н.

2. Высокоапертурные безыммерсионные планапохроматическиеобъективы.// Труды ГОИ, 1970, т. 37, вып. 167, с. 247.

3. Андреев Л.Н. К методике расчета объективов микроскопа.// ОМП, I960, ОМП, 1960, №8, с. 6-14

4. Андреев Л.Н., Грамматин А.П., Соколова Т.И. Влияние распределения увеличения в микроскопе между объективом и окуляром на качество изображения.// ОМП, 1979, № 1, с. 51-52.

5. Берек М. Основы практической оптики. М.-Л.: Гостехиздат, 1933, с. 136.

6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, с. 855.

7. Гаврилюк А.В., Зверев В.А., Карасева И.А. Аберрационные свойства сферической поверхности.// "Оптический журнал", 1994, № 9, с. 14-19.

8. Зверев В.А., Иванова Т.А. Метод преобразования оптических систем симметричного типа.// ОМП, 1985, № 6.

9. Ю.Иванова Т.А. Расчет трехлинзовых склеенных компонентов с уменьшенным вторичным спектром.// ОМП, 1979, № 9, с. 12-15.

10. П.Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л., Машиностроение, 1984, с. 231.

11. Иванова Т.А., Ларина P.M., Богданова Л.А. Объективы микроскопов малых увеличений с улучшенными параметрами.// ОМП, 1986, № 3.

12. Исследование возможности создания комплекта улучшенных ахроматических объективов для крупносерийных микроскопов серии Биолам С и Р. Отчет "ЛОМО" НГ2-455-81.

13. Исследование возможности создания планахроматических объективов для проходящего света с повышенными оптическими и технологическими характеристиками. Отчет "JIOMO" НГ2-406-77.

14. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М.: Мир, 1964, с. 295.

15. Мешков В.В. Основы светотехники. M.-JL: Госэнергоиздат, 1961, с. 416.

16. Молчанов B.C., Андрианова JI.B. Скорость разрушения оптических стекол в растворах фтористоводородной кислоты.// ОМП, 1973, №11.

17. Панов В.А., Андреев JI.H. Оптика микроскопов. Расчет и проектирование. Л.: Машиностроение, 1976, с. 430.

18. Пинегин Н.И. Влияние яркости и размеров поля зрения на диаметр зрачка. //Тр.1 конф. по физиологической оптике. M.-JL, 1936, с.369.

19. Разработка новой микрооптики для развивающихся методов исследования в биологии, металлографии, цитологии и других областях науки и техники. Отчет ГОИ НГ12-456-81/230281.

20. Ризенберг X. Развитие идей Аббе в оптике современных микроскопов Иенское обозрение . Специальный выпуск 1964 с.171-195

21. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. — JL: Машиностроение, 1980, с. 270.

22. Русинов М.М. Техническая оптика. M.-JL: Машгиз, 1961, с. 328.

23. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин JI.A. Микроскопы. JL: Машиностроение, 1969, с. 512.

24. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. JL: Машиностроение, 1969, с. 672.

25. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. M.-JL: Машиностроение, 1966, с. 564.

26. Boegehold. Das optische system des Microskops. Berlin. 1958, c. 192.